JP2020047907A - Coupling inductor and switching circuit - Google Patents

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Abstract

To provide a multi-phase coupling inductor capable of achieving stable performance and size and cost reductions.SOLUTION: A coupling inductor 10 is used for a multi-phase switching circuit of interleave method. The coupling inductor 10 is configured to constitute an inductor unit 1 formed from a core 7 and a winding 8 wound around two positions of the core 7. Three inductor units 1 are arranged on an inductor installation surface and the two windings 8 wound around the common core 7 of the respective inductor units 1-3 are connected to each of different phases of the switching circuit.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、結合インダクタおよび当該結合インダクタを有するスイッチング回路に関する。   The present invention relates to a coupling inductor and a switching circuit having the coupling inductor.

近年、蓄電池を内蔵した輸送機器(例えばハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池車等)や電子機器(例えばスマートフォン、パーソナルコンピュータ等)の電力変換回路は高出力を維持した上で小型軽量化、すなわち高電力密度化が求められている。   2. Description of the Related Art In recent years, power conversion circuits of transportation equipment (for example, hybrid cars, electric vehicles, fuel cell vehicles, etc.) and electronic equipment (for example, smartphones, personal computers, etc.) incorporating a storage battery have been reduced in size and weight while maintaining high output, that is, high power conversion circuits. Power density is required.

高電力密度化を実現する回路方式としてインターリーブ方式が注目されている。インターリーブ方式は電源を複数系統に分けて各相に位相差を持たせ、リップルなどを互いに打ち消し合う制御方式である。例えば2相のインターリーブ方式では、電流位相に180°の位相差をもたせてリップルを相殺する。インターリーブ方式を採用することにより、出力平滑コンデンサの小型軽量化やリップルの低減を図ることができる。   An interleave scheme has been attracting attention as a circuit scheme for realizing high power density. The interleave method is a control method in which a power supply is divided into a plurality of systems, each phase has a phase difference, and ripples and the like are canceled each other. For example, in a two-phase interleaving method, a ripple is offset by giving a 180 ° phase difference to the current phase. By employing the interleaving method, it is possible to reduce the size and weight of the output smoothing capacitor and to reduce the ripple.

その一方で、インターリーブ方式では、インダクタの部品点数が増加するため、高電力密度化には限界がある。そこで、インターリーブ方式に加えて、各相のインダクタを磁気的に結合して利用する結合インダクタを採用することが検討されている。結合インダクタを使用する事で以下の効果が期待される。   On the other hand, in the interleave method, since the number of components of the inductor increases, there is a limit to the increase in power density. Therefore, in addition to the interleaving method, the use of a coupling inductor that magnetically couples and uses inductors of each phase is being studied. The following effects are expected by using a coupled inductor.

(1)従来のインターリーブ方式では並列化させた相数に等しい数のインダクタが増加することになるが、結合インダクタを用いることで、各相の巻線を単一の磁性体コアに集約させることができるため、部品点数の削減が可能となる。 (1) In the conventional interleaving method, the number of inductors equal to the number of paralleled phases increases, but by using a coupled inductor, the windings of each phase can be integrated into a single magnetic core. Therefore, the number of parts can be reduced.

(2)一般的にコアサイズはコア内の最大磁束が大きく関係するが、逆結合で磁気的に結合させた結合インダクタでは、巻線の直流電流から発生する直流磁束を互いに打ち消す一方で、並列化させた回路間で発生する交流磁束を共有できるため、コア内の磁束を低減でき、インダクタのサイズ低減を図ることができる。 (2) In general, the core size is largely related to the maximum magnetic flux in the core. In a coupled inductor that is magnetically coupled by reverse coupling, DC magnetic fluxes generated from DC currents of windings are mutually canceled while parallel inductors are used. Since the alternating magnetic flux generated between the integrated circuits can be shared, the magnetic flux in the core can be reduced, and the size of the inductor can be reduced.

以上に述べた結合インダクタの一例として、下記特許文献1に記載されるように、二つのE形状コアと、二つのE形状コアで挟まれ、二つのコイルが巻回されたI形状コアと、一方のE形状コアの中央脚とI形状コアとの間に設けられた第1ギャップと、他方のE形状コアの中央脚とI形状コアとの間に設けられた第2ギャップとを有する2相結合インダクタが知られている。   As an example of the coupling inductor described above, as described in Patent Document 1 below, two E-shaped cores, an I-shaped core sandwiched between two E-shaped cores, and wound with two coils, 2 having a first gap provided between the center leg of one E-shaped core and the I-shaped core, and a second gap provided between the center leg of the other E-shaped core and the I-shaped core. Phase coupled inductors are known.

近年では、特許文献1に記載された2相インターリーブの結合インダクタを3相のインターリーブ回路に応用して利用することが検討されている。3相に拡張することで、2相の場合と比べて、入力電流を分流化できるため更なる大容量化が実現できる。また、出力側平滑コンデンサの容量をさらに低減することも可能となる。   In recent years, it has been studied to apply the two-phase interleaved coupled inductor described in Patent Literature 1 to a three-phase interleaved circuit for use. By expanding to three phases, the input current can be shunted compared to the case of two phases, so that a further increase in capacity can be realized. Further, the capacity of the output-side smoothing capacitor can be further reduced.

3相化した結合インダクタとして、下記特許文献2に記載されるように、3つの軸体を相互に直交する3軸に沿うように配置して一体化した3軸コアを使用するものが知られている。   As disclosed in Patent Document 2 below, as a three-phase coupled inductor, there is known an inductor using a three-axis core in which three shafts are arranged along three axes orthogonal to each other and integrated. ing.

特許第5934001号公報Japanese Patent No. 5934001 特開2011−204946号公報JP 2011-204946 A

しかしながら、3相のインターリーブ回路に適合する結合インダクタの検証は十分に進んでいない。例えば特許文献1に記載の2相結合インダクタのコアに、もう一つの脚を追加したとしても、各相の磁路長や相互インダクタンスを同じにすることができず、磁束の偏りや各相での損失のアンバランスが生じ、対称性を維持することができない。従って、結合リアクタとしての性能が低下する。   However, verification of a coupled inductor suitable for a three-phase interleaved circuit has not been sufficiently advanced. For example, even if another leg is added to the core of the two-phase coupled inductor described in Patent Literature 1, the magnetic path length and the mutual inductance of each phase cannot be made the same, and the magnetic flux bias and the Loss occurs and symmetry cannot be maintained. Therefore, the performance as a coupling reactor decreases.

特許文献2の3軸コアを使用する場合、3軸コアが、共通の中心部から6方向にそれぞれ突出する突出部を備えた形態であるため、コア形状が複雑であり、コアの製作に多大な工数を要する。そのため、結合インダクタの製造コストが高騰する。   When the triaxial core of Patent Document 2 is used, since the triaxial core is provided with protrusions that protrude in six directions from a common central portion, the core shape is complicated, and the core production is extremely difficult. Requires many man-hours. Therefore, the manufacturing cost of the coupled inductor increases.

特許文献2は3相化した結合インダクタを開示するものであるが、4相以上に多相化した結合インダクタを開示した文献は見当たらない。   Patent Document 2 discloses a three-phase coupled inductor, but does not disclose a coupled inductor having four or more phases.

そこで、本発明は、安定した性能を有する、小型でかつ安価な多相結合インダクタを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a small and inexpensive multi-phase coupled inductor having stable performance.

以上の課題を解決するため、本発明は、インターリーブ方式の多相スイッチング回路に用いられる結合インダクタにおいて、コアと、当該コアの複数箇所に巻回された複数の巻線とでインダクタユニットが形成され、前記インダクタユニットを複数(例えば3相スイッチング回路に使用する場合は3つ)備え、各インダクタユニットの共通のコアに巻回された前記複数の巻線が、前記スイッチング回路の異なる相にそれぞれ接続されることを特徴とするものである。   In order to solve the above problems, the present invention relates to a coupled inductor used in an interleaved multi-phase switching circuit, wherein an inductor unit is formed by a core and a plurality of windings wound around a plurality of locations of the core. A plurality of the inductor units (for example, three when used in a three-phase switching circuit), and the plurality of windings wound around a common core of each inductor unit are respectively connected to different phases of the switching circuit. It is characterized by being performed.

このようにコアの複数箇所に複数の巻線を巻回することにより、各インダクタユニットが、複数のインダクタを磁気結合し、等価的に一つのインダクタで構成した形態となる。また、各インダクタユニットの共通のコアに巻回された複数の巻線は、スイッチング回路の異なる相にそれぞれ接続されている。かかる構成において、位相をシフトさせて多相スイッチング回路を駆動することにより、各相のインダクタ電流が相互干渉し、交互に励磁された磁束が他の巻線と鎖交する形態となる。これにより、インダクタ電流波形がスイッチング周波数の、前記相数と一致する倍数(3相スイッチング回路であれば3倍)で駆動しているような状態となる。駆動中は、各インダクタユニットで直流磁束が相互に打ち消し合う一方、交流磁束は、各インダクタユニットのコア内で共有して強め合い、あるいは打消し合いながら各コアに形成された磁束経路を循環する。従って、各インダクタユニットのインダクタンスを大きくして各コアに発生する磁束を減らすことができ、コアを小型化することができる。   By winding a plurality of windings around a plurality of portions of the core in this manner, each inductor unit magnetically couples the plurality of inductors, and is equivalently configured with one inductor. In addition, a plurality of windings wound around a common core of each inductor unit are connected to different phases of the switching circuit. In such a configuration, by driving the multi-phase switching circuit by shifting the phase, the inductor currents of the respective phases interfere with each other, and the alternately excited magnetic flux links with other windings. As a result, the inductor current waveform is driven at a multiple of the switching frequency equal to the number of phases (three times in the case of a three-phase switching circuit). During driving, the DC magnetic flux cancels each other in each inductor unit, while the AC magnetic flux circulates in the magnetic flux path formed in each core while strengthening or canceling each other in the core of each inductor unit. . Therefore, the magnetic flux generated in each core can be reduced by increasing the inductance of each inductor unit, and the core can be downsized.

また、上記構成であれば、各インダクタユニットの磁路長や相互インダクタンスを同じ長さや値にすることが容易となる。従って、結合インダクタとしての性能を安定化させることができる。   Further, with the above configuration, it is easy to make the magnetic path length and the mutual inductance of each inductor unit the same length and value. Therefore, the performance as the coupling inductor can be stabilized.

特に、上記構成であれば、インダクタユニット相互間は、電気的に接続された状態にはあるが、機械的に連結された状態にはなく、相互に分離可能な状態にある。従って、各インダクタユニットの配置位置は自由に選択することができる。そのため、多相結合インダクタの配置態様の自由度を高め、設置スペースに対する制約を少なくすることができる。   In particular, with the above configuration, the inductor units are in a state of being electrically connected, but are not in a state of being mechanically connected, and are in a state of being separable from each other. Therefore, the arrangement position of each inductor unit can be freely selected. Therefore, the degree of freedom in the arrangement of the multi-phase coupled inductor can be increased, and restrictions on the installation space can be reduced.

かかる構成では、共通のコアに巻回された前記複数の巻線を、当該複数の巻線で生じる磁束の直流成分が当該コアにて打消し合うように接続するのが好ましい。また、スイッチング回路の同じ相に、異なるインダクタユニットの巻線を並列に接続するのが好ましい。   In such a configuration, it is preferable that the plurality of windings wound around a common core be connected such that DC components of magnetic flux generated by the plurality of windings cancel each other out at the core. Further, it is preferable to connect windings of different inductor units in parallel to the same phase of the switching circuit.

また、各インダクタユニットのコアは、何れもエアギャップを有しない無端ループ状に形成するのが好ましい。これにより、漏れ磁束を小さくすることができるので、漏れ磁束が巻線に到達して各巻線で渦電流を生じることによる巻線での発熱を抑制することができる。   Further, it is preferable that the core of each inductor unit is formed in an endless loop shape having no air gap. Accordingly, the leakage magnetic flux can be reduced, so that the heat generation in the winding due to the leakage magnetic flux reaching the winding and generating an eddy current in each winding can be suppressed.

結合インダクタでは、漏れインダクタンスを利用する必要があるため、結合係数を高くしすぎないことが必要となる。もちろん結合係数が低すぎれば、磁気結合による効果を得ることができない。従って、各インダクタユニットの結合係数は0.3以上、0.85以下であるのが好ましい。   In the coupling inductor, since it is necessary to use the leakage inductance, it is necessary not to make the coupling coefficient too high. Of course, if the coupling coefficient is too low, the effect of magnetic coupling cannot be obtained. Therefore, the coupling coefficient of each inductor unit is preferably 0.3 or more and 0.85 or less.

前記コアは絶縁被膜付き軟磁性粉末で形成するのが好ましい。これにより、コア材料としてフェライトを使用する場合に比べ、漏れ磁束が発生し易くなる。従って、エアギャップを設けなくても、コア全体で適度の漏れ磁束を発生させることができ、適度の結合係数を得ることが容易となる。また、漏れ磁束が流れる経路を別途設ける必要がない。従って、エアギャップ周辺での漏れ磁束による巻線の発熱を防止しつつ、多相結合インダクタの小型化を図ることができる。絶縁被膜付き軟磁性粉末を用いたコアの初透磁率は30以上、200以下が好ましい。   The core is preferably formed of a soft magnetic powder with an insulating coating. This makes it easier to generate magnetic flux leakage than when ferrite is used as the core material. Therefore, even if an air gap is not provided, an appropriate leakage flux can be generated in the entire core, and an appropriate coupling coefficient can be easily obtained. Further, it is not necessary to separately provide a path through which the leakage magnetic flux flows. Therefore, it is possible to reduce the size of the multi-phase coupled inductor while preventing heat generation of the winding due to leakage magnetic flux around the air gap. The initial magnetic permeability of the core using the soft magnetic powder with the insulating coating is preferably 30 or more and 200 or less.

以上に述べた結合インダクタを使用して、インターリーブ方式の多相スイッチング回路を形成することにより、回路の高電力密度化を達成することができる。   By forming an interleaved multi-phase switching circuit using the above-described coupled inductors, high power density of the circuit can be achieved.

本発明によれば、安定した性能を有する、小型で安価な多相結合インダクタを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a small and inexpensive multiphase coupled inductor having stable performance.

本実施形態に係る3相結合インダクタを示す斜視図である。It is a perspective view showing the three-phase coupling inductor concerning this embodiment. 結合インダクタを構成する一つのインダクタユニットを示す斜視図である。It is a perspective view which shows one inductor unit which comprises a coupling inductor. 3相結合インダクタを使用したインターリーブ方式の3相昇圧チョッパ回路を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an interleaved three-phase boost chopper circuit using a three-phase coupled inductor. 3相結合インダクタにおける各インダクタユニットの配置態様を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing an arrangement of each inductor unit in a three-phase coupled inductor. 確認試験の試験結果を示す表である。It is a table | surface which shows the test result of a confirmation test. 3相結合インダクタの電流波形を示す図である。It is a figure showing the current waveform of a three-phase coupling inductor. 4相結合インダクタを使用したインターリーブ方式の4相昇圧チョッパ回路を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an interleaved four-phase boost chopper circuit using a four-phase coupled inductor. 4相結合インダクタを示す斜視図である。It is a perspective view showing a four-phase coupling inductor. 4相結合インダクタの電流波形を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a current waveform of a four-phase coupled inductor. 結合インダクタを多相化した時の相数と各種特性の関係をまとめた表である。9 is a table summarizing the relationship between the number of phases and various characteristics when the coupling inductor is multi-phased. 4相結合インダクタの他の実施形態を示す平面図である。It is a top view showing other embodiments of a four-phase coupling inductor.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係る多相結合インダクタ、特に3相結合インダクタ10の斜視図である。
図1に示すように、この3相結合インダクタ10は、3つのインダクタユニット(第一インダクタユニット1、第二インダクタユニット2、第三インダクタユニット3)を備えている。各インダクタユニット1〜3は共通の構成を備えており、何れもコア7と、各コア7の二カ所に巻回された複数の巻線8とを有する。
FIG. 1 is a perspective view of a multi-phase coupled inductor, particularly a three-phase coupled inductor 10 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the three-phase coupled inductor 10 includes three inductor units (a first inductor unit 1, a second inductor unit 2, and a third inductor unit 3). Each of the inductor units 1 to 3 has a common configuration, and each has a core 7 and a plurality of windings 8 wound around the core 7 at two locations.

なお、以下の説明において、コアを表す符号7の後に、各コアが属するインダクタユニットの番号を添え字で付している。すなわち、符号71は第一インダクタユニット1のコアを表し、符号72は第二インダクタユニット2のコアを表し、符号73は第三インダクタユニットのコアを表す。 In the following description, the number of the inductor unit to which each core belongs is appended by a suffix after the code 7 representing the core. That is, reference numeral 71 denotes the core of the first inductor unit 1, reference numeral 7 2 represents the core of the second inductor unit 2, reference numeral 7 3 represents the core of the third inductor unit.

図2に、3つのインダクタユニット1〜3のうちの一つである第一インダクタユニット1の斜視図を示す。
図2に示すように、第一インダクタユニット1のコア71は、一対の脚部71と、対をなす脚部71の一端間および他端間に架橋された一対の連結部72とを有する。本実施形態では、一対の脚部71を平行に配置すると共に、連結部72を脚部71から直交する方向に配置して全体を矩形枠状に形成したコア71を例示している。コア71としては、閉ループ状の形態を有する限り任意の形態を採用することができ、矩形枠状以外にも、例えば円環状のコア(トロイダルコア)を採用することもできる。コア71には、エアギャップは設けられていない。
FIG. 2 shows a perspective view of the first inductor unit 1 which is one of the three inductor units 1 to 3.
As shown in FIG. 2, the core 7 1 of the first inductor unit 1 includes a pair of legs 71 and a pair of connecting portions 72 which are bridged between one end and between the other end of the leg portion 71 in a pair . In the present embodiment illustrates well as parallel to the pair of legs 71, a core 71 forming a whole in a rectangular frame shape connecting portion 72 arranged in a direction perpendicular from the leg portion 71. The core 71, it is possible to employ any form as long as it has a closed loop-like form, other than the rectangular frame shape, may be employed for example an annular core (toroidal core). The core 7 1, the air gap is not provided.

図1に示すように、残りのインダクタユニット(第二インダクタユニット2および第三インダクタユニット3)も、第一インダクタユニット1のコア71と同形状のコア72,73をそれぞれ有する。これらのコア72,73にエアギャップは設けられていない。なお、図1では、第一インダクタユニット1についてのみコア71の脚部71を破線で示し、他のインダクタユニット2,3のコア72,73については、図面の簡略化のため、脚部71の図示を省略している。 As shown in FIG. 1, with the remainder of the inductor unit (second inductor unit 2 and the third inductor unit 3), the first core 71 of the inductor unit 1 and the same shape core 7 2, 7 3, respectively. Air gap the cores 7 2, 7 3 are not provided. In FIG 1, a first inductor unit leg 71 of the core 7 1 only 1 indicated by a broken line, the core 7 2, 7 3 other inductor units 2 and 3, for simplification of the drawing, the leg The illustration of the unit 71 is omitted.

コア71〜73は、何れも、金型を用いて軟磁性粉末を圧縮成形した後、圧粉体に焼鈍処理を施すことで製作される。軟磁性粉末としては、純鉄系、アモルファス系、軟磁性合金系(センダスト、パーマロイ等)、ナノ結晶系等からなる軟磁性金属粉末に絶縁被膜をコーティングした絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用することができる。絶縁被膜としては、Al23、Y23、MgO、ZrO2等の金属酸化物あるいは半金属の酸化物、ガラス材料、またはこれらの混合物に、バインダーとしての樹脂材料を配合したものが使用される。焼鈍に伴ってバインダー成分は分解し、ガスとなって揮散する。この絶縁被膜付き軟磁性粉末を用いたコアの初透磁率(磁界0 A/m時の比透磁率を意味する)は、30以上200以下が好ましい。また、脚部71と連結部72は、同じ材料で形成する他、異なる材料で形成することもできる。 Core 7 1-7 3, both after compression molding soft magnetic powder using a mold, is manufactured by applying an annealing process to the powder compact. As the soft magnetic powder, use a soft magnetic powder with an insulating coating obtained by coating an insulating coating on a soft magnetic metal powder composed of pure iron, amorphous, soft magnetic alloy (such as Sendust, Permalloy), or nanocrystalline. Can be. As the insulating coating, a metal oxide or semi-metal oxide such as Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , a glass material, or a mixture of these and a resin material as a binder is used. used. With annealing, the binder component is decomposed and volatilizes as a gas. The initial magnetic permeability (meaning the relative magnetic permeability at a magnetic field of 0 A / m) of the core using the soft magnetic powder with the insulating coating is preferably 30 or more and 200 or less. Further, the leg portion 71 and the connecting portion 72 can be formed of different materials in addition to the same material.

各コア71〜73の脚部71には、それぞれ一つずつ巻線8が装着される。従って、共通のコア71〜73に巻回された巻線8は、磁気結合された状態にある。各巻線8の巻き数は同じであり、同じ導電材料で形成され、かつ同じ断面寸法を有する。従って、各巻線8は等しいインダクタンスを有する。また、同じコアに巻回された二つの巻線8は、互いに逆極性となるように接続される。具体的には、同じコアに巻回された二つの巻線8を並列に接続してそれぞれに直流電流を流した際に、各コア71〜73に互いに打消し合う方向の磁束φ(図1参照)が生じるように各巻線8が接続される。 The legs 71 of the core 7 1-7 3, one by one winding 8 are respectively mounted. Thus, common core 7 1-7 3 wound on the winding 8 is in a state of being magnetically coupled. Each winding 8 has the same number of turns, is formed of the same conductive material, and has the same cross-sectional dimension. Therefore, each winding 8 has equal inductance. The two windings 8 wound around the same core are connected so as to have opposite polarities. More specifically, when the flow of direct current to each of the two windings 8 wound on the same core are connected in parallel, the magnetic flux directions cancel each other in the core 7 1 ~7 3 φ ( The windings 8 are connected so that (see FIG. 1) occurs.

各インダクタユニット1〜3において共通のコア7に巻回された二つの巻線8は、後で詳細に述べるが、3相(u相、v相、w相)のスイッチング回路のうち異なる2相に接続される。すなわち、第一インダクタユニット1の二つの巻線8のうちの一方がu相に接続されると共に他方がw相に接続され、第二インダクタユニット2の二つの巻線8のうちの一方がu相に接続すると共に他方がv相に接続される。また、第三インダクタユニット3の二つの巻線8のうちの一方がv相に接続されると共に、他方がw相に接続される。図1では、以上に述べた接続態様を、各巻線を表す符号8の後に、接続先の相をかっこ書きで付すことで表している。   The two windings 8 wound around the common core 7 in each of the inductor units 1 to 3 will be described in detail later, but two different phases of a three-phase (u-phase, v-phase, and w-phase) switching circuit will be described. Connected to. That is, one of the two windings 8 of the first inductor unit 1 is connected to the u-phase and the other is connected to the w-phase, and one of the two windings 8 of the second inductor unit 2 is connected to the u-phase. Phase and the other is connected to the v-phase. One of the two windings 8 of the third inductor unit 3 is connected to the v-phase, and the other is connected to the w-phase. In FIG. 1, the connection mode described above is represented by parenthesizing the connection destination phase after the reference numeral 8 representing each winding.

以上に述べた結合インダクタ10は、例えば、各インダクタユニット1〜3において、一方の連結部72に二つの脚部71の一端部を固定した状態で、予め巻回した巻線8を各脚部71の外周に挿入し、その後、各脚部71の他端部に他方の連結部72を固定することによって製作される。脚部71と連結部72の固定は、例えば接着によって行うことができる。もちろん各コア71〜73を一体に成形した後、脚部71に巻線8を巻回しても構わない。 The coupled inductor 10 described above is, for example, in each of the inductor units 1 to 3, in a state where one end of the two legs 71 is fixed to one connecting portion 72, the winding 8 wound in advance is connected to each leg. It is manufactured by inserting it around the outer periphery of the base 71 and then fixing the other connecting part 72 to the other end of each leg 71. The fixing of the leg portion 71 and the connecting portion 72 can be performed by, for example, bonding. Of course after forming each core 7 1-7 3 together, may be wound legs 71 wound around 8.

このようにして製作した結合インダクタ10では、漏れインダクタンスを利用する必要があるため、結合係数を高くしすぎないことが必要となる。もちろん結合係数が低すぎれば、磁気結合による効果を得ることができない。以上の観点から、個々のインダクタユニット1〜3の結合係数は、0.3〜0.85(好ましくは0.3〜0.75)の範囲に設定するのが好ましい。上記のとおりコア7の材料として絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用することで、結合係数の調整が容易となり、この範囲内の結合係数を容易に得ることが可能となる。各インダクタユニット1〜3の結合係数は同じ値にする。なお、ここでの結合係数は、JIS C 5321に規定された開放短絡法に則って、以下の式から求められる。
結合係数k=(1−Lsc/Lop)1/2
ここで、Lscは短絡L値(2線を短絡)であり、Lopは開放L値である。
In the coupling inductor 10 manufactured in this way, since it is necessary to use the leakage inductance, it is necessary not to make the coupling coefficient too high. Of course, if the coupling coefficient is too low, the effect of magnetic coupling cannot be obtained. From the above viewpoint, the coupling coefficient of each of the inductor units 1 to 3 is preferably set in a range of 0.3 to 0.85 (preferably 0.3 to 0.75). As described above, by using the soft magnetic powder with the insulating coating as the material of the core 7, the adjustment of the coupling coefficient becomes easy, and the coupling coefficient within this range can be easily obtained. The coupling coefficients of the inductor units 1 to 3 have the same value. Note that the coupling coefficient here is obtained from the following equation in accordance with the open / short method specified in JIS C 5321.
Coupling coefficient k = (1-Lsc / Lop) 1/2
Here, Lsc is a short-circuit L value (two lines are short-circuited), and Lop is an open L value.

以上に述べた結合インダクタ10は、図3に示す、インターリーブ方式を採用した3相(u相、v相、w相)のスイッチング回路に配置される。ここでいうスイッチング回路は、スイッチングに伴って高周波電流が流れる回路を意味する。図3では、スイッチング回路の一例として、電源回路、特にDC−DC昇圧チョッパ回路の概略構成を示している。   The coupling inductor 10 described above is arranged in a three-phase (u-phase, v-phase, and w-phase) switching circuit that employs an interleaving method illustrated in FIG. The switching circuit here means a circuit through which a high-frequency current flows with switching. FIG. 3 shows a schematic configuration of a power supply circuit, particularly a DC-DC boost chopper circuit, as an example of the switching circuit.

図3に示すように、電源Eには、結合インダクタ10の各巻線8の一端が並列に接続される。この時、既に述べたように、スイッチング回路の各相(u,v,w)には、異なるインダクタユニット1〜3に設けられた、各相同数(2つ)の巻線8が接続される。具体的には、第一インダクタユニット1の二つの巻線8のうち一方8(u1)がu相に接続され、他方8(w2)がw相に接続される。また、第二インダクタユニット2の二つの巻線8のうち一方8(u2)がu相に接続され、他方8(v1)がv相に接続される。さらに、第三インダクタユニット3の二つの巻線8のうち一方8(v2)がv相に接続され、他方8(w1)がw相に接続される。このように、結合インダクタ1の各巻線8は、回路の各相にサイクリックに接続される。また、スイッチング回路の同じ相に接続される二つの巻線(例えば巻線8(u1)と巻線8(u2))は、各相で並列に接続される。   As shown in FIG. 3, one end of each winding 8 of the coupled inductor 10 is connected to the power source E in parallel. At this time, as described above, the windings 8 of the respective homologous numbers (two) provided in the different inductor units 1 to 3 are connected to each phase (u, v, w) of the switching circuit. . Specifically, of the two windings 8 of the first inductor unit 1, one 8 (u1) is connected to the u phase, and the other 8 (w2) is connected to the w phase. One (8) (u2) of the two windings 8 of the second inductor unit 2 is connected to the u-phase, and the other 8 (v1) is connected to the v-phase. Further, one (8) (v2) of the two windings 8 of the third inductor unit 3 is connected to the v-phase, and the other 8 (w1) is connected to the w-phase. Thus, each winding 8 of the coupled inductor 1 is cyclically connected to each phase of the circuit. Further, two windings (for example, the winding 8 (u1) and the winding 8 (u2)) connected to the same phase of the switching circuit are connected in parallel in each phase.

u相に接続された二つの巻線8(u1),8(u2)の他端は、第一ダイオードD1のアノードおよび第一スイッチング素子Q1の一端と接続され、v相に接続された二つの巻線8(v1)、8(v2)の他端は、第二ダイオードD2のアノードおよび第二スイッチング素子Q2の一端と接続される。w相に接続された二つの巻線8(w1)、8(w2)の他端は、第三ダイオードD3のアノードおよび第三スイッチング素子Q3の一端と接続される。各スイッチング素子Q1〜Q3の他端は接地側に接続される。各スイッチング素子Q1〜Q3は、図示しない制御装置からの制御信号により一定周期で開閉動作を繰り返す。この時、各スイッチング素子Q1〜Q3は120°ずつ位相をずらして開閉動作を繰り返す。   The other ends of the two windings 8 (u1) and 8 (u2) connected to the u-phase are connected to the anode of the first diode D1 and one end of the first switching element Q1, respectively, and are connected to the two v-phases. The other ends of the windings 8 (v1) and 8 (v2) are connected to the anode of the second diode D2 and one end of the second switching element Q2. The other ends of the two windings 8 (w1) and 8 (w2) connected to the w-phase are connected to the anode of the third diode D3 and one end of the third switching element Q3. The other ends of the switching elements Q1 to Q3 are connected to the ground side. Each of the switching elements Q1 to Q3 repeats the opening / closing operation at a constant cycle according to a control signal from a control device (not shown). At this time, the switching elements Q1 to Q3 repeat the opening / closing operation by shifting the phase by 120 °.

各ダイオードD1〜D3のカソードから出力された電圧および電流は平滑用コンデンサCにより平滑化され、負荷Rにより消費される。   The voltage and current output from the cathodes of the diodes D1 to D3 are smoothed by the smoothing capacitor C and consumed by the load R.

昇圧チョッパ回路を単体(1相)で構成するシングルフェーズ方式の場合、出力側の平滑用コンデンサに送られる電流が断続的となるため、平滑用コンデンサは激しい充電と放電を繰り返す。そのため、平滑用コンデンサに大きな容量が必要となり、平滑用コンデンサが大型化する。これに対し、回路を並列化して動作させる図3のインターリーブ方式(マルチフェーズ方式)では、各相を交互にスイッチングさせるように制御を行うため、平滑用コンデンサCの蓄積電荷変動が低減され、平滑用コンデンサCの小型化を達成することができる。   In the case of the single-phase system in which the boost chopper circuit is configured as a single unit (one phase), the current sent to the smoothing capacitor on the output side is intermittent, and the smoothing capacitor repeats intense charging and discharging. Therefore, a large capacity is required for the smoothing capacitor, and the size of the smoothing capacitor increases. On the other hand, in the interleave system (multi-phase system) of FIG. 3 in which circuits are operated in parallel, control is performed so that each phase is alternately switched. The size of the capacitor C can be reduced.

加えて、インターリーブ回路を3相に拡張しているので、2相のインターリーブ回路と比べて、入力電流を分流化できるため更なる大容量化が実現できる。また、出力側平滑コンデンサの容量をさらに低減することも可能となる。   In addition, since the interleave circuit is expanded to three phases, the input current can be shunted as compared with the two-phase interleave circuit, so that the capacity can be further increased. Further, the capacity of the output-side smoothing capacitor can be further reduced.

本実施形態の3相結合インダクタ1では、各インダクタユニット1〜3が、二つのインダクタを磁気結合し、等価的に一つのインダクタで構成した形態になっている。また、各インダクタユニット1〜3の共通のコアに巻回された二つの巻線(例えば8(u1)と8(w2))は、スイッチング回路の異なる二つの相(例えばu相とw相)にそれぞれ接続されている。つまり、異なる相に接続された二つの巻線が磁気結合されることになる。かかる構成において、電流位相をシフトさせて3相インターリーブ方式の昇圧チョッパ回路を駆動することにより、各相のインダクタ電流Iu,Iv,Iwが相互干渉し、交互に励磁された磁束が他の巻線と鎖交する形態となる。これにより、インダクタ電流波形がスイッチング周波数の3倍で駆動しているような状態となる。 In the three-phase coupled inductor 1 according to the present embodiment, each of the inductor units 1 to 3 magnetically couples two inductors and is equivalently constituted by one inductor. Further, two windings (for example, 8 (u1) and 8 (w2)) wound around a common core of each of the inductor units 1 to 3 are connected to two different phases (for example, u-phase and w-phase) of the switching circuit. Connected to each other. That is, two windings connected to different phases are magnetically coupled. In such a configuration, by driving the three-phase interleaved boost chopper circuit by shifting the current phase, the inductor currents I u , I v , and I w of each phase interfere with each other, and the alternately excited magnetic flux causes another. It is a form that links with the winding of. This results in a state where the inductor current waveform is driven at three times the switching frequency.

図1に示すように、結合インダクタ10の動作中は、各インダクタユニット1〜3でインダクタ平均電流から発生する直流磁束φが相互に打ち消し合う。その一方で、交流磁束は、各インダクタユニット1〜3のコア内で共有して強め合い、あるいは打消し合いながら各コア71〜73に形成された無端ループ状の磁束経路を循環する。このように、直流磁束を互いに打消し合うことでコア内磁束を低減できる一方で、交流成分の磁束が循環する磁束経路が形成されるため、各インダクタユニット1〜3のインダクタンスが大きくなる。従って、コア71〜73に発生する磁束を減らしてコア71〜73を小型化することができ、リプル幅が小さく、重畳特性を良化した小型の結合インダクタ10を提供することが可能となる。 As shown in FIG. 1, during the operation of the coupled inductor 10, the DC magnetic flux φ generated from the inductor average current in each of the inductor units 1 to 3 cancels each other. On the other hand, the AC magnetic flux is circulated to constructive or an endless loop magnetic flux path formed in the core 7 1-7 3 while cancel shared within the core of each inductor unit 1-3. As described above, by canceling out the DC magnetic flux, the magnetic flux in the core can be reduced, but the magnetic flux path in which the magnetic flux of the AC component circulates is formed, so that the inductance of each of the inductor units 1 to 3 increases. Thus, the core 7 1-7 3 can be miniaturized by reducing the magnetic flux generated in the core 7 1-7 3, ripple width is small, to provide a coupled inductor 10 small that improved the superimposition characteristics It becomes possible.

また、本実施形態の結合インダクタ10では、各インダクタユニット1〜3が同一構造で形成されるので、各インダクタユニット1〜3の磁路長や相互インダクタンスを同じ値にすることができる。従って、結合インダクタ10としての性能を安定化させることが可能となる。   Further, in the coupled inductor 10 of the present embodiment, since the inductor units 1 to 3 are formed in the same structure, the magnetic path lengths and the mutual inductances of the inductor units 1 to 3 can be set to the same value. Therefore, the performance as the coupled inductor 10 can be stabilized.

さらに、各コア71〜73の磁束経路にエアギャップが形成されておらず、各コア71〜73が閉磁路を形成するため、漏れ磁束が小さくなる。従って、漏れ磁束が各巻線8に到達し、各巻線で渦電流を生じることによる巻線8の発熱を防止することができる。またインダクタンスの低下も防止することができる。これにより小型でありながら巻線8での発熱の小さい3相結合インダクタ10を提供することが可能となる。 Further, the air gap is not formed in the magnetic flux path of the core 7 1-7 3, each core 7 1-7 3 to form a closed magnetic path, leakage flux is reduced. Therefore, it is possible to prevent the leakage magnetic flux from reaching each winding 8 and generating heat in the winding 8 due to the generation of eddy current in each winding. Also, a decrease in inductance can be prevented. This makes it possible to provide a three-phase coupled inductor 10 that is small in size and generates little heat in the winding 8.

コア71〜73の材料として一般的なフェライトで形成した場合、フェライトの初透磁率が高い(2300程度)ため、漏れ磁束が少なくなる。そのため、インダクタを大型化しないとリプル幅を抑制できず、小型化の要請に応えることができない。漏れ磁束を多くするためには磁束経路にエアギャップを設けるのが有効であるが、これでは既に述べたように巻線8での発熱の問題を生じる。これに対し、本実施形態のように、絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用して初透磁率30〜200のコア71〜73を形成することにより、エアギャップを設けない場合でも適度の結合係数(0.30〜0.85)を得ることができる。そのため、エアギャップを設けた場合に問題となる巻線8での発熱を防止しつつ、安定したリプル抑制効果および直流電流重畳特性を有する小型の結合インダクタ10を提供することができる。 When forming a general ferrite as the material of the core 7 1-7 3, initial permeability of the ferrite is high (about 2300) for, leakage flux is reduced. Therefore, the ripple width cannot be suppressed unless the inductor is increased in size, and the demand for downsizing cannot be met. It is effective to provide an air gap in the magnetic flux path in order to increase the leakage magnetic flux, but this causes a problem of heat generation in the winding 8 as described above. In contrast, as in this embodiment, by forming the core 7 1-7 3 initial permeability 30 to 200 by using the insulating film-containing soft magnetic powder, binding moderate even if not provided an air gap A coefficient (0.30 to 0.85) can be obtained. Therefore, it is possible to provide a small-sized coupling inductor 10 having a stable ripple suppression effect and a DC current superimposition characteristic while preventing heat generation in the winding 8 which becomes a problem when an air gap is provided.

本実施形態の結合インダクタ1においては、各インダクタユニット1〜3が、配線を通じて電気的な接続状態にあるが、機械的に連結された状態にはない。つまり、個々のインダクタユニット1〜3は分離可能な状態にある。そのため、各インダクタユニット1〜3を任意の位置に配置することができる。例えば、図1に示すように、各インダクタユニット1〜3を巻線軸方向から見た平面視で三角形の各頂点位置に配置する形態を採用することもできるし、あるいは図4に示すように、各インダクタユニット1〜3を一列に展開し、各巻線軸が同一平面上に位置するように平面的に配置する形態を採用することもできる。さらに、一つのインダクタユニットを、他の二つのインダクタユニットから離れた位置に配置することも可能となる。従って、3相結合インダクタ10の配置態様の自由度を高めて、設置スペースに対する制約を少なくすることができる。   In the coupled inductor 1 of the present embodiment, each of the inductor units 1 to 3 is in an electrically connected state through the wiring, but is not in a state of being mechanically connected. That is, the individual inductor units 1 to 3 are in a separable state. Therefore, each of the inductor units 1 to 3 can be arranged at an arbitrary position. For example, as shown in FIG. 1, it is possible to adopt a form in which each of the inductor units 1 to 3 is arranged at each vertex position of a triangle in a plan view viewed from the winding axis direction, or as shown in FIG. It is also possible to adopt a form in which the inductor units 1 to 3 are developed in a line and arranged in a plane such that the winding axes are located on the same plane. Further, it is possible to arrange one inductor unit at a position apart from the other two inductor units. Therefore, the degree of freedom in the arrangement of the three-phase coupled inductor 10 can be increased, and the restriction on the installation space can be reduced.

特に図4に示す配置態様であれば、回路基板等に設けたインダクタ設置面(100:図7参照)に対し、結合インダクタ10を、各巻線軸が当該インダクタ設置面と平行な同一平面上に位置するように配置することが可能となる。この場合、各巻線8からインダクタ設置面までの距離が均一化されるため、各巻線8の放熱性を均一化することができる。従って、各巻線8の温度上昇幅を均一化し、各巻線8における磁気特性のばらつきを抑えることができる。また、放熱用の別部品の設置が不要となるので、結合インダクタ10全体の体格を小型化することができる。   In particular, in the arrangement shown in FIG. 4, the coupling inductor 10 is positioned on the same plane where each winding axis is parallel to the inductor installation surface (100: see FIG. 7) provided on a circuit board or the like. It becomes possible to arrange so that. In this case, since the distance from each winding 8 to the inductor installation surface is made uniform, the heat radiation of each winding 8 can be made uniform. Therefore, the temperature rise width of each winding 8 can be made uniform, and variations in the magnetic characteristics of each winding 8 can be suppressed. In addition, since there is no need to install a separate component for heat dissipation, the overall size of the coupled inductor 10 can be reduced.

また、コア71〜73としては、U−U形コアやトロイダルコアといった無端ループ状の簡素な形態の既存コアを採用することができる。従って、特許文献2に記載のような複雑で立体的な構造のコアを準備する必要がなく、コア71〜73の製造コストを低廉化することができる。 As the core 7 1-7 3, can be adopted existing core having a simple form of U-U-shaped core and such toroidal core form endless loops. Therefore, it is possible to cost reduction complex and it is not necessary to prepare a core of three-dimensional structure, the manufacturing cost of the core 7 1-7 3 as described in Patent Document 2.

次に本実施形態に係る結合インダクタ10について、その効果を確認する確認試験を行ったので、その詳細および結果を説明する。   Next, a confirmation test for confirming the effect of the coupled inductor 10 according to the present embodiment was performed, and the details and results will be described.

この確認試験では、図1に示す結合インダクタ10を図3に示す3相インターリーブ方式の昇圧チョッパ回路に使用し、デューティ比を変化させた時の出力電圧を測定している。各巻線8のインダクタンスは200μH、各インダクタユニット1〜3の結合係数は0.7、入力電圧はDC400Vとしている。また、各相間の位相ずれは120°であり、50kHzでスイッチングさせている。   In this confirmation test, the coupled inductor 10 shown in FIG. 1 is used in the three-phase interleaved boost chopper circuit shown in FIG. 3, and the output voltage when the duty ratio is changed is measured. The inductance of each winding 8 is 200 μH, the coupling coefficient of each of the inductor units 1 to 3 is 0.7, and the input voltage is 400 V DC. The phase shift between the phases is 120 °, and switching is performed at 50 kHz.

図5に示す試験結果から明らかなように、本実施形態によれば、デューティ比の増加に応じて出力電圧が増加している。従って、本実施形態の結合インダクタ1を使用した場合でも、昇圧回路として問題なく動作することが確認された。   As is clear from the test results shown in FIG. 5, according to the present embodiment, the output voltage increases as the duty ratio increases. Therefore, it was confirmed that even when the coupled inductor 1 of the present embodiment was used, the operation as a booster circuit was performed without any problem.

図6は、図3に示すスイッチング回路において、u相の電流Iuと、u相に接続した巻線8(u1)の電流Iu1と、u相に接続した巻線8(u2)の電流Iu2を測定した結果を示すものである(結合係数を0.5、周波数を55kHz、デューティ比を0.65としている)。 FIG. 6 shows a current I u of the u-phase, a current I u1 of the winding 8 (u1) connected to the u-phase, and a current of the winding 8 (u2) connected to the u-phase in the switching circuit shown in FIG. It shows the result of measuring I u2 (coupling coefficient is 0.5, frequency is 55 kHz, and duty ratio is 0.65).

図6から明らかなように、Iuに対し、各巻線の平均電流および各巻線電流のリプル幅がそれぞれ半分となっている。また、各巻線電流には、傾斜の緩い領域X,Yが生じており、巻線8(u1),8(u2)が磁気結合された影響を見ることができる。 As is clear from FIG. 6, the average current of each winding and the ripple width of each winding current are each half of I u . In each winding current, regions X and Y having gentle slopes are generated, and the effect of magnetic coupling of the windings 8 (u1) and 8 (u2) can be seen.

以上の説明では、3相化した結合インダクタ10を例示したが、同様の構成を採用することにより、4相以上に多相化した結合インダクタを提供することもできる。   In the above description, the three-phase coupled inductor 10 is illustrated, but by adopting a similar configuration, a coupled inductor having four or more phases can be provided.

この多相結合インダクタにおいては、「相数×(相数−1)/2」個のコアおよびインダクタユニットが使用される。例えば3相であれば3個、4相であれば6個、5相であれば10個、6相であれば15個、7相であれば21個のコアおよびインダクタユニットが使用される。また、各コアには、2つの巻線8が装着されるため、結合インダクタ全体の巻線数はコアの数の2倍となる。   In this multi-phase coupled inductor, “the number of phases × (the number of phases−1) / 2” cores and inductor units are used. For example, three cores and inductor units are used for three phases, six for four phases, ten for five phases, fifteen for six phases, and twenty-one for seven phases. Further, since two windings 8 are mounted on each core, the number of windings of the entire coupled inductor is twice the number of cores.

図7に、多相結合インダクタの一例として4相結合インダクタ11を示す。この結合インダクタ11は、第一〜第六インダクタユニット1〜6を備える。各インダクタユニット1〜6は、既に述べた3相結合インダクタ10で説明したインダクタユニット1〜3と同じ構成を有し、それぞれコア7(71〜76)と、コア7の180°対向位置に配置した二つの巻線8とを有する。なお、図7では、各コア7としてトロイダルコアを使用した場合を例示している。 FIG. 7 shows a four-phase coupled inductor 11 as an example of a multi-phase coupled inductor. The coupled inductor 11 includes first to sixth inductor units 1 to 6. Each inductor unit 1-6 has the same structure as the inductor unit 1-3 described previously in 3-phase coupled inductor 10 described, respectively core 7 and (7 1 ~7 6), 180 ° opposed position of the core 7 And two windings 8 arranged in the same direction. FIG. 7 illustrates a case where a toroidal core is used as each core 7.

図8に、上記の4相結合インダクタ11を使用した、インターリーブ方式の4相スイッチング回路を示す。図8に示すように、4相(a相、b相、c相,d相)の各相には、それぞれ3つの巻線8が並列に接続される。すなわち、a相には巻線8(a1),8(a2),8(a3)が接続され、b相には巻線8(b1),8(b2),8(b3)が接続される。c相には巻線8(c1),8(c2),8(c3)が接続され、d相には巻線8(d1),8(d2),8(d3)が接続される。   FIG. 8 shows an interleaved four-phase switching circuit using the four-phase coupled inductor 11 described above. As shown in FIG. 8, three windings 8 are connected in parallel to each of the four phases (a phase, b phase, c phase, and d phase). That is, the windings 8 (a1), 8 (a2), 8 (a3) are connected to the a-phase, and the windings 8 (b1), 8 (b2), 8 (b3) are connected to the b-phase. . The windings 8 (c1), 8 (c2), 8 (c3) are connected to the c-phase, and the windings 8 (d1), 8 (d2), 8 (d3) are connected to the d-phase.

なお、多相スイッチング回路のスイッチング素子Q1〜Q4は、360°を相数で割った角度分だけ電流位相がずれるように開閉動作を行う。従って、4相スイッチング回路では、各スイッチング素子Q1〜Q4は90°ずつ位相をずらして開閉動作を繰り返す。   The switching elements Q1 to Q4 of the multi-phase switching circuit perform opening and closing operations such that the current phases are shifted by an angle obtained by dividing 360 ° by the number of phases. Therefore, in the four-phase switching circuit, each of the switching elements Q1 to Q4 repeats the opening and closing operation by shifting the phase by 90 °.

3相結合インダクタと同様に、4相結合インダクタにおいても、共通のコア7に巻回された二つの巻線8(例えば8(a1)と8(b1))は、4相のスイッチング回路のうち異なる2相(a相、b相)に接続される。逆にいえば、図8に示す12個の巻線8のうち、異なる相に接続された二つの巻線が共通のコア7に巻回することにより磁気結合される。例えば、以下に列挙した組み合わせの二つの巻線が、共通のコア7に装着することで磁気結合される(図7参照)。
・巻線8(a1)と巻線8(b1)
・巻線8(a2)と巻線8(c1)
・巻線8(a3)と巻線8(d1)
・巻線8(b2)と巻線8(c2)
・巻線8(b3)と巻線8(d2)
・巻線8(c3)と巻線8(d3)
Similarly to the three-phase coupled inductor, in the four-phase coupled inductor, the two windings 8 (for example, 8 (a1) and 8 (b1)) wound around the common core 7 are among the four-phase switching circuits. It is connected to two different phases (a phase, b phase). Conversely, of the twelve windings 8 shown in FIG. 8, two windings connected to different phases are magnetically coupled by being wound around a common core 7. For example, two windings of the combinations listed below are magnetically coupled by being mounted on a common core 7 (see FIG. 7).
-Winding 8 (a1) and winding 8 (b1)
-Winding 8 (a2) and winding 8 (c1)
-Winding 8 (a3) and winding 8 (d1)
-Winding 8 (b2) and winding 8 (c2)
-Winding 8 (b3) and winding 8 (d2)
-Winding 8 (c3) and winding 8 (d3)

図9は、図8に示すスイッチング回路において、a相の電流Iaと、a相に接続した巻線8(a1)の電流Ia1と、a相に接続した巻線8(a2)の電流Ia2と、a相に接続した巻線8(a3)の電流Ia3とを測定した結果を示すものである(結合係数を0.5、周波数を55kHz、デューティ比を0.65としている)。 FIG. 9 shows the current I a of the a-phase, the current I a1 of the winding 8 (a1) connected to the a-phase, and the current of the winding 8 (a2) connected to the a-phase in the switching circuit shown in FIG. It shows the result of measuring I a2 and the current I a3 of the winding 8 (a3) connected to the a-phase (coupling coefficient is 0.5, frequency is 55 kHz, and duty ratio is 0.65). .

図9から明らかなように、Iaに対し、各巻線の平均電流および各巻線電流のリプル幅がそれぞれ1/3となっている。また、各巻線電流には、3相化した場合と同様に、傾斜の緩い領域が生じており、巻線8(a1),8(a2),8(a3)が磁気結合された影響を見ることができる。 As is clear from FIG. 9, the average current of each winding and the ripple width of each winding current are 1/3 of Ia . In addition, as in the case of three-phase winding, a region having a gentle slope is generated in each winding current, and the effect of magnetically coupling the windings 8 (a1), 8 (a2), and 8 (a3) is seen. be able to.

このように4相化した結合インダクタ11においても、既に述べた3相結合インダクタ10と同様の作用効果を得ることができる。5相以上に多相化した場合も、共通のコア7に巻回された二つの巻線8を異なる2相に接続することにより、同様の作用効果を得ることができる。   The same operational effects as those of the previously described three-phase coupled inductor 10 can also be obtained in the coupled inductor 11 having the four phases. Even when the number of phases is increased to five or more, the same operation and effect can be obtained by connecting the two windings 8 wound around the common core 7 to two different phases.

図10は、多相結合インダクタにおいて、相数を変化させた時の各種特性の変化をまとめた表である。   FIG. 10 is a table summarizing changes in various characteristics of the multi-phase coupled inductor when the number of phases is changed.

図10の各項目のうち、「並列数」は各相に並列接続すべき巻線の数である。「I(相)」は各相の電流値を表し、「I(巻線)」は各巻線の電流値を表す。「R」は巻線の抵抗値の和を表し、「P(銅)」は1コアあたりの巻線の放熱量(銅損)を表す。Lは、各相数で必要とされるインダクタンス値を表し、「銅線径」は「P(銅)」の値から必要とされる、巻線を形成する銅線の径寸法を表す。「H」は、H=N×I/l(lは磁路長、Nは巻数、Iは電流値)で表され、この値が小さいほど直流重畳特性が良化することを意味する。「ΔI」は各コアにおけるリプル幅を表し、ΔBは磁束密度の変化量(ΔB=μ×H)を表す。「P(鉄)」は結合インダクタ全体のコアの放熱量(鉄損)を表す。なお、図10では、各項目の1相スイッチング回路での値を1としている。   In each item of FIG. 10, “parallel number” is the number of windings to be connected in parallel to each phase. “I (phase)” represents the current value of each phase, and “I (winding)” represents the current value of each winding. “R” represents the sum of the resistance values of the windings, and “P (copper)” represents the heat dissipation (copper loss) of the windings per core. L represents an inductance value required for each phase number, and “copper wire diameter” represents a diameter dimension of a copper wire forming a winding required from the value of “P (copper)”. “H” is represented by H = N × I / l (1 is a magnetic path length, N is the number of turns, I is a current value), and the smaller this value is, the better the DC superimposition characteristic is. “ΔI” represents the ripple width in each core, and ΔB represents the amount of change in magnetic flux density (ΔB = μ × H). “P (iron)” represents the heat radiation amount (iron loss) of the core of the entire coupled inductor. In FIG. 10, the value of each item in the one-phase switching circuit is 1.

図10の「銅S」の値から、多相結合インダクタにおいては、相数が増すほど銅線径を小さくできることが理解できる。従って、相数が増えるほど、巻線製作が容易となり、低コスト化を達成することが可能となる。また、「H」の値から、相数が増えるほど重畳磁化力が低下し、直流重畳特性が良化することも理解できる。さらに、「L」の値から、相数が増えるほど必要L値が増加すること、「ΔB」および「P鉄」の値から、相数が増えるほど鉄損を低減できること、も理解できる。また、「P(銅)」の結果から、相数が増えるほど個々のコア7での銅損(巻線の放熱量)が減少する。従って、結合インダクタ全体の放熱量を分散させて、熱管理を容易化することもできる。   From the value of “copper S” in FIG. 10, it can be understood that, in the multiphase coupled inductor, the copper wire diameter can be reduced as the number of phases increases. Therefore, as the number of phases increases, the manufacture of the winding becomes easier, and the cost can be reduced. It can also be understood from the value of “H” that the superimposed magnetizing force decreases as the number of phases increases, and the DC superimposition characteristics improve. Further, it can be understood from the value of “L” that the required L value increases as the number of phases increases, and that the iron loss can be reduced as the number of phases increases from the values of “ΔB” and “P iron”. Further, from the result of “P (copper)”, as the number of phases increases, the copper loss (heat dissipation of the winding) in each core 7 decreases. Therefore, heat management can be facilitated by dispersing the heat radiation of the entire coupled inductor.

なお、図7では、各インダクタユニット(1〜6)を、各巻線軸が同一平面上に位置するように平面的に配置している。そのため、各インダクタユニット(1〜6)をインダクタ設置面100上に配置した際には、各巻線8からインダクタ設置面100までの距離が均一化される。従って、各巻線8の放熱性を均一化することができ、各巻線8の温度上昇幅を均一化して各巻線8における磁気特性のばらつきを抑えることができる。また、結合インダクタ11が平面的な形態となるため、高さ寸法を小さくすることもできる。   In FIG. 7, the inductor units (1 to 6) are arranged in a plane such that the winding axes are located on the same plane. Therefore, when the inductor units (1 to 6) are arranged on the inductor installation surface 100, the distance from each winding 8 to the inductor installation surface 100 is made uniform. Therefore, the heat radiation of each winding 8 can be made uniform, the temperature rise of each winding 8 can be made uniform, and the variation in the magnetic characteristics of each winding 8 can be suppressed. Further, since the coupling inductor 11 has a planar shape, the height dimension can be reduced.

図11に示すように、各インダクタユニット(1〜6)はインダクタ設置面100上で一列に配置することもできる。このように本実施形態の多相結合インダクタは、各インダクタユニット(1〜6)が分離可能な状態にあるため、形状自由度が高いという利点を有する。   As shown in FIG. 11, the inductor units (1 to 6) may be arranged in a line on the inductor mounting surface 100. As described above, the multi-phase coupled inductor of the present embodiment has an advantage that the degree of freedom in shape is high because each inductor unit (1 to 6) is in a separable state.

以上の説明では、結合インダクタ10,11を昇圧チョッパ回路に配置する場合を例示したが、以上に述べた結合インダクタ10,11は、インターリーブ方式の多相のスイッチング回路を有するものであれば任意の回路に使用できる。例えば、PFC(power factor correction)回路、コンバータ回路、インバータ回路等における変圧用途(降圧、昇圧を問わない)、インバータ用途、コンバータ用途等に使用することができる。   In the above description, the case where the coupling inductors 10 and 11 are arranged in the step-up chopper circuit has been exemplified. However, the coupling inductors 10 and 11 described above are arbitrary as long as they have an interleaved multi-phase switching circuit. Can be used for circuits. For example, the present invention can be used for a transformer application (regardless of step-down or step-up) in a PFC (power factor correction) circuit, a converter circuit, an inverter circuit, and the like, an inverter application, a converter application, and the like.

1 第一インダクタユニット
2 第二インダクタユニット
3 第三インダクタユニット
4 第四インダクタユニット
5 第五インダクタユニット
6 第六インダクタユニット
7 コア
8 巻線
10 結合インダクタ(3相)
11 結合インダクタ(4相)
71 脚部
72 連結部
REFERENCE SIGNS LIST 1 first inductor unit 2 second inductor unit 3 third inductor unit 4 fourth inductor unit 5 fifth inductor unit 6 sixth inductor unit 7 core 8 winding 10 coupled inductor (three-phase)
11 Coupled inductor (4 phase)
71 Leg 72 Connecting part

Claims (9)

インターリーブ方式の多相スイッチング回路に用いられる結合インダクタにおいて、
コアと、当該コアの複数箇所に巻回された複数の巻線とでインダクタユニットが形成され、
前記インダクタユニットを複数備え、
各インダクタユニットの共通のコアに巻回された前記複数の巻線が、前記スイッチング回路の異なる相にそれぞれ接続されることを特徴とする結合インダクタ。
In a coupled inductor used for an interleaved multi-phase switching circuit,
An inductor unit is formed by the core and a plurality of windings wound around a plurality of locations of the core,
Comprising a plurality of the inductor units,
The coupled inductor, wherein the plurality of windings wound around a common core of each inductor unit are connected to different phases of the switching circuit, respectively.
共通のコアに巻回された前記複数の巻線が、当該複数の巻線で生じる磁束の直流成分が当該コアにて打消し合うように接続されている請求項1に記載の結合インダクタ。   The coupled inductor according to claim 1, wherein the plurality of windings wound around a common core are connected such that DC components of magnetic flux generated in the plurality of windings cancel each other out at the core. 前記スイッチング回路の同じ相に、異なるインダクタユニットの巻線を並列に接続した請求項1または2に記載の結合インダクタ。   3. The coupled inductor according to claim 1, wherein windings of different inductor units are connected in parallel to the same phase of the switching circuit. 各インダクタユニットのコアを、何れもエアギャップを有しない無端ループ状に形成した請求項1〜3何れか1項に記載の結合インダクタ。   The coupled inductor according to any one of claims 1 to 3, wherein a core of each inductor unit is formed in an endless loop shape having no air gap. 前記各インダクタユニットを、各巻線軸が、インダクタ設置面と平行な同一平面上に位置するように配置した請求項1〜4何れか1項に記載の結合インダクタ。   The coupled inductor according to any one of claims 1 to 4, wherein each of the inductor units is arranged such that each winding axis is located on the same plane parallel to the inductor installation surface. 各インダクタユニットの結合係数が0.3以上、0.85以下である請求項1〜5何れか1項に記載の結合インダクタ。   The coupling inductor according to any one of claims 1 to 5, wherein a coupling coefficient of each inductor unit is 0.3 or more and 0.85 or less. 前記コアが絶縁被膜付き軟磁性粉末で形成されている請求項1〜6何れか1項に記載の結合インダクタ。   The coupled inductor according to any one of claims 1 to 6, wherein the core is formed of a soft magnetic powder with an insulating coating. 前記コアの初透磁率が30以上、200以下である請求項7に記載の結合インダクタ。   The coupled inductor according to claim 7, wherein the core has an initial magnetic permeability of 30 or more and 200 or less. 請求項1〜8の何れか1項に記載した結合インダクタを有する、インターリーブ方式の多相スイッチング回路。
An interleaved multi-phase switching circuit comprising the coupling inductor according to claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113628853A (en) * 2020-05-09 2021-11-09 台达电子企业管理(上海)有限公司 Multiphase coupling inductor and manufacturing method thereof
JP2022037558A (en) * 2020-08-25 2022-03-09 トヨタ自動車株式会社 Power conversion device
WO2023229196A1 (en) * 2022-05-23 2023-11-30 삼성전자주식회사 Converter circuit and control method thereof

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004507995A (en) * 2000-08-18 2004-03-11 アドバンスト・エナジー・インダストリーズ・インコーポレイテッド Multiple power converter systems using a combination of transformers
JP2007174858A (en) * 2005-12-26 2007-07-05 Daikin Ind Ltd Power converter and power conversion system
JP2011086718A (en) * 2009-10-14 2011-04-28 Toyota Central R&D Labs Inc Inductor for converter
JP2014078577A (en) * 2012-10-10 2014-05-01 Hitachi Metals Ltd Complex reactor for multi-phase converter and multi-phase converter employing the same
JP2014127637A (en) * 2012-12-27 2014-07-07 Auto Network Gijutsu Kenkyusho:Kk Reactor, converter and power conversion device
JP2017153240A (en) * 2016-02-24 2017-08-31 本田技研工業株式会社 Power supply device, equipment, and control method
JP2017216773A (en) * 2016-05-30 2017-12-07 株式会社村田製作所 Coil component
JP2018130012A (en) * 2017-01-25 2018-08-16 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ Systems and methods for soft switching dc-dc converter

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004507995A (en) * 2000-08-18 2004-03-11 アドバンスト・エナジー・インダストリーズ・インコーポレイテッド Multiple power converter systems using a combination of transformers
JP2007174858A (en) * 2005-12-26 2007-07-05 Daikin Ind Ltd Power converter and power conversion system
JP2011086718A (en) * 2009-10-14 2011-04-28 Toyota Central R&D Labs Inc Inductor for converter
JP2014078577A (en) * 2012-10-10 2014-05-01 Hitachi Metals Ltd Complex reactor for multi-phase converter and multi-phase converter employing the same
JP2014127637A (en) * 2012-12-27 2014-07-07 Auto Network Gijutsu Kenkyusho:Kk Reactor, converter and power conversion device
JP2017153240A (en) * 2016-02-24 2017-08-31 本田技研工業株式会社 Power supply device, equipment, and control method
JP2017216773A (en) * 2016-05-30 2017-12-07 株式会社村田製作所 Coil component
JP2018130012A (en) * 2017-01-25 2018-08-16 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ Systems and methods for soft switching dc-dc converter

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113628853A (en) * 2020-05-09 2021-11-09 台达电子企业管理(上海)有限公司 Multiphase coupling inductor and manufacturing method thereof
CN113628853B (en) * 2020-05-09 2023-06-16 台达电子企业管理(上海)有限公司 Multiphase coupling inductor and manufacturing method thereof
US12073979B2 (en) 2020-05-09 2024-08-27 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd Multi-phase coupled inductor and manufacturing method thereof
JP2022037558A (en) * 2020-08-25 2022-03-09 トヨタ自動車株式会社 Power conversion device
WO2023229196A1 (en) * 2022-05-23 2023-11-30 삼성전자주식회사 Converter circuit and control method thereof

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